鄭徐高鐵開封段地面沉降分層監測方法

張 丹，郝亞東

(1. 黃河水利職業技術學院測繪工程學院，河南 開封 475003； 2. 河南理工大學礦山空間信息技術國家測繪地理信息局重點實驗室，河南 焦作 454003)

鄭徐高鐵開封段地面沉降分層監測方法

張 丹1,2，郝亞東1

(1. 黃河水利職業技術學院測繪工程學院，河南 開封 475003； 2. 河南理工大學礦山空間信息技術國家測繪地理信息局重點實驗室，河南 焦作 454003)

高鐵沿線施工期間引起地面沉降的因素錯綜復雜、相互影響，本文提出通過對沉降區域地下水位、孔隙水壓力等進行分層觀測，根據分層觀測得到地下水位變化、孔隙水壓力變化等數據，并采用回歸分析法構建了沉降區域地面沉降與諸影響因子的關聯模型，通過對鄭徐客運專線開封段進行的地面沉降監測量與同時采用二等精密水準測量得到的監測點沉降量進行對比分析，結果表明本方法的有效性和可靠性。

高鐵；地面沉降；分層監測；回歸分析

鄭徐客運專線是《國家中長期鐵路網規劃》“四縱四橫”中的徐州至蘭州鐵路客運專線的重要組成部分。鄭徐高鐵客運專線西起鄭州東站、東至徐州東站，線路全長361.937 km，其中開封段59.5 km。開封段地處黃淮沖積平原，沿線為較厚層第四系地層覆蓋，地面表層的軟土厚度較大。鄭徐客運專線采用無砟軌道，軌道路基容許沉降值為15 mm，對路基進行沉降控制顯得尤為重要。此外，由于開封段沿線地下水大規模開采所引起的地面沉降較為突出，對高鐵施工及運營維護造成了嚴重影響。因此，研究鄭徐客運專線開封段沿線地面沉降監測方法，為客運專線施工過程進行沉降控制，保證高鐵安全運營具有重要意義。

1 地面沉降分層監測

1.1 分層監測原理

地面沉降分層監測是在土層不同深度及不同層位分別埋設沉降磁環，當沉降磁環受到土層不斷壓縮變形所產生的應力作用時其位置會發生變化，根據位移量就可以確定土層土體的壓縮固結量，從而監測土體的垂直位移量(即沉降)。地面沉降分層監測系統由沉降磁環、沉降管、沉降觀測儀等設備構成，當沉降觀測儀內部的磁感應測量探頭接觸沉降磁環時，受磁場作用后其電流會發生變化。分層沉降觀測儀內部有一個變化極小的鋼尺(長度在50～100 m)連接在測量探頭端部，與探頭一起安置在分層沉降管中，用以監測分層沉降磁環的高度變化。

對地面進行分層沉降監測時，設每個分層沉降磁環的初始讀數為D0i(分層沉降磁環到管口的距離)，每次觀測沉降磁環的讀數為Di，設分層沉降管口的初始高程為H0，則各分層沉降磁環的初始高程為H0-D0i，每次觀測各個分層沉降磁環的高程為H0-Di，則各分層沉降磁環歷次測量的沉降量hi可依據下式計算

hi=(H0-D0i)-(H0-Di)

(1)

根據每次分層沉降磁環的沉降量，可推算出各分層沉降磁環所處土層的壓縮量為

H=hi-1-hii=2,3,…，n

(2)

將所有土層的壓縮量進行疊加，可得到整個土層的壓縮總量為

(3)

1.2 分層監測井標布設

鄭徐高鐵開封段地面沉降監測共布設包括D3水位分層監測孔及F3-1、F3-2分層沉降監測孔16個，地下水分層監測孔是在同一鉆孔內安裝多套井管，起到各自成井、分層止水及分層監測水位等作用。采用上述成井工藝，可節約征占土地費用、減少鉆探進尺和進場次數，達到節約成本、提高效益，縮短工期和便于維護與管理等目的。

1.3 分層監測內容

1.3.1 孔隙水壓力觀測

對土體進行真空預壓加固后，隨著載荷增加，土體將出現不穩定現象。為掌握土體中有效應力的變化情況，需要監測孔隙水壓力變化。土體受荷載后會產生孔隙水壓力變化，并引起土體運動。監測不同深度土層的孔隙水壓力變化、土壓力變化，依據監測數據可以分析土體的有效應力及土體強度隨時間變化的規律，據此計算沉降量或反演土層的固結系數，從而得到土層的固結度。

孔隙水壓力觀測需要首先埋設孔隙水壓力計,然后觀測孔隙水壓力的初始值，該過程需要持續觀測一周，取平均值觀測值作為初始值。孔隙水壓力計算公式如下

u=k(f2i-f20)

(4)

式中，μ為孔隙水壓力(單位：kPa)；k為標定系數(kPa/Hz2)；fi、f0為測試頻率、初始頻率(Hz)。

1.3.2 地下水位觀測

由于高鐵路基施工過程中載荷在不斷增加，從而會引起鐵道沿線的地下水變化。因此，通過觀測鐵道沿線地下水位的變化狀況，則可以掌握地面沉降情況。地下水位觀測有以下兩種方法：

(1) 觀測孔設在施工區域外。通過外圍觀測，求出外圍地下水位的變化。

(2) 觀測孔設在施工區域內。通過觀測該區域地下水位變化，為分析和計算地面沉降提供資料與依據。

2 沉降觀測數據處理

地下水位、孔隙水壓力及地面載荷等是引起高鐵沿線地面沉降的主要因素，各種因素影響不盡相同，且相互影響，關系錯綜復雜。本文對多期觀測數據采用回歸分析法，旨在建立鐵路沿線地面沉降量與諸因素之間的關聯模型。

2.1 地下水位沉降模型

以地面作為參考基準面，當地下水位下降到深度H時，地表某點的沉降量δH可依據土力學中的沉降公式計算

δH=a0+a1H+a2H2

(5)

式中，H為該點抽水后的地下水位；a0、a1、a2可視為常數。

2.2 孔隙水壓力沉降模型

孔隙水壓力是各土層變形的重要監測量，其引起的地面沉降可表示為孔隙水壓力p的函數，依據土力學中沉降公式，用泰勒級數展開后為

(6)

式(6)可表示為

δp=f(p)=b0+b1p+b2p2

(7)

2.3 時效因子模型

依據有效應力原理，土體變形與有效應力有關，某時刻t的沉降量δt為

δt=C1t+C2lnt

(8)

式中，C1、C2為有效應力系數。

2.4 基于回歸分析的地面沉降模型

引入回歸分析方法，綜合考慮各種因素的變化影響，地面沉降計算模型為

δ總=a0+a1H+a2H2+b1p+b2p2+d1M+d2M2+c1t+c2lnt

(9)

式中，H、p、M為地下水位變化量、孔隙水壓力變化量和地面荷載變化量；t為時效分量；ai、bi、ci、di(i=0,1,2)為系數。

3 實例驗證

3.1 分層沉降觀測方法

本文以開封段59.5 km區域為例進行沉降監測研究，具體方法是沿高鐵線路無砟軌道的樁基上布設沉降監測點36個，采用二等精密水準測量進行往返觀測。以無砟軌道樁基及軌道箱梁施工期間作為監測期，觀測周期為1次/月，共進行20次。在進行水準測量的同時，利用16個分層監測井標觀測地下水位計測出的各層地下水位變化量、孔隙水壓力變化量，并在無砟軌道施工期間開展地面荷載變化分析。水準測量與分層監測井標觀測同時進行，分別計算沉降結果，并對沉降結果進行對比分析，從而判斷分層監測結果的可靠性和分層監測方法的可行性。

3.2 結果分析

采用二等精密水準測量觀測得到的部分監測點累計沉降結果見表1；根據分層監測井標觀測的地下水位變化、孔隙水壓力變化，基于回歸分析法建立的地面沉降模型計算的監測點沉降結果見表2。

表1 監測點累計沉降結果

表2 回歸分析數學模型計算沉降結果

對比表1和表2兩種監測方法結果可以看出，其最大偏差δmax=±0.3 mm、最小偏差δmin=±0.1 mm，兩種方法計算結果較為吻合，表明根據分層監測井標觀測的地下水位變化量和孔隙水壓力變化量，與采用回歸分析地面沉降數學模型計算監測點地面沉降方法，均適合于鄭徐高鐵(開封段)地面沉降監測。

4 結 語

針對高鐵線路施工過程中采用常規方法監測地面沉降，存在工作量大、監測周期頻率高、施工交叉作業相互影響等不足，本文采用分層監測方法對鄭徐高鐵開封段進行沉降監測研究，通過觀測地下水位、孔隙水壓力、基于回歸分析模型計算地面沉降量，結果表明該方法適用于厚層軟土的地面沉降監測，同時本文采用的一孔多井、分層觀測方法，可有效減少鉆探進尺與進場次數，提高作業效益，便于維護與管理。

[1] 凌柏平，龔永康，張建躍.真空預壓軟基處理分層沉降監測[J].水運工程，2010(12):129-134.

[2] 蘇國祥，王簡年. 真空預壓軟基處理工程監測[J].港工技術,2009(7):116-119.

[3] 顏波，周詩慶，張紅芹. 真空預壓軟基處理孔隙水壓力與地下水位監測研究[J].江西科學,2010(8):473-475.

[4] 郝亞東，許加東，張勇. 基于多影響因子計算模型在城市地面沉降監測應用研究[J].鐵道工程學報，2011，28(3):20-23.

[5] 曹凱，黃騰志.溫州丁山墾區真空預壓軟基處理監測方案[J].基礎與結構工程,2012(6):131-135.

[6] 詹學啟，張占榮. 鄭徐高速鐵路鄭州段區域地面沉降預測分析[J].鐵道標準設計, 2014(7):56-60.

[7] 唐華橋. 真空預壓軟基處理分層沉降監測探析[J].科技傳播, 2014(2):193-194.

[8] 盧小平，朱寧寧，盧遙，等. 基于激光點云的隧道斷面連續提取與形變分析方法[J]．測繪學報，2015,44(9):1056-1062.

[9] 高昂，張孟喜，蔣華欽，等. 地面出入式盾構法隧道施工同步注漿工程應用研究[J].巖石力學與工程學報,2016，35(9):1871-1883.

[10] 呂偉華，邵光輝. 基于單井抽水模型試驗的含水層變形特性[J].林業工程學報,2016，1(3):115-120.

[11] 吳意謙，朱彥鵬. 考慮側向變形下抽降潛水引起地面沉降的計算[J].華中科技大學學報(自然科學版),2016，44(4):116-120.

[12] 姜媛，田芳，羅勇，等. 北京地區基于不同地面沉降閾值的地下水位控制分析[J].中國地質災害與防治學報,2015，26(1):37-42.

[13] 葉俊能，鄭銑鑫，侯艷聲. 寧波軌道交通規劃區域地面沉降特征分析及監測[J].水文地質工程地質,2010(3):107-111.

[14] 王建秀，吳林高，朱雁飛，等. 地鐵車站深基坑降水誘發沉降機制及計算方法[J].巖石力學與工程學報,2009，28(5):1010-1019.

[15] 劉寒鵬，杜東菊，孫銳. 真空預壓軟基處理沉降監測分析[J].工程地質學報,2009，17(1):111-114.

[16] 唐益群，欒長青，王建秀，等. 上海某地鐵站試降水對周邊環境的影響分析[J].武漢理工大學學報,2008，30(8):147-151.

[17] 龔士良. 臺灣地面沉降現狀與防治對策[J].中國地質災害與防治學報,2003，14(3):24-31.

[18] 劉歡歡，張有全，王榮，等. 京津高鐵北京段地面沉降監測及結果分析[J]. 地球物理學報,2016，59(7):2424-2432.

[19] 盧小平，朱寧寧，祿豐年. 基于橢圓柱面模型的隧道點云濾波方法[J].武漢大學學報(信息科學版)，2016,41(11):1476-1482.

TheLandSubsidenceStratificationMonitoringofZheng-XuHigh-speedRailwayinKaifengSection

ZHANG Dan1,2,HAO Yadong1

(1. Yellow River Conservancy Vocational and Technical College, Kaifeng 475003, China; 2. Key Laboratory of Mine Spatial Information Technologies, NASG, Jiaozuo 454003, China)

In this paper, the factors that cause the land subsidence during the construction of high-speed railway are complicated and interactional. It is proposed that the ground water level and pore water pressure in the subsidence area are stratified observation, and the data of groundwater level change and pore water pressure change are obtained according to stratified observation. Regression analysis method to construct the correlation model of land subsidence and its influence factors in settlement area.The land subsidence monitoring of Zheng-Xu high-speed Kaifeng section is compared and analysed with the same period using second class precision level measurement points settlement. The results show that the method is effective and reliable.

high-speed rail; land subsidence; stratification monitoring; regression analysis

張丹，郝亞東.鄭徐高鐵開封段地面沉降分層監測方法[J].測繪通報，2017(11)：77-79.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0352.

P258

A

0494-0911(2017)11-0077-03

2017-07-15；

2017-08-28

2016年度國家重點研發計劃重點專項(2016YFC0803103)

張 丹(1980—)，男，碩士，講師，主要從事測繪科學與技術教學及研究工作。E-mail：40663113@qq.com